Меню

Анализ токов растекания в земле

Растекание тока в земле при замыкании на землю.

Ответ: Стекание тока в землю происходит только через про­водник, находящийся в непосредственном контакте с зем­лей. Такой контакт может быть случайным или предна­меренным.

В последнем случае проводник или группа соединен­ных между собой проводников, находящихся в контакте с землей, называется заземлителем. Кроме того, одиночный проводник, находящийся в контакте с землей, называется также одиночным заземлителем, или заземляющим электродом, или просто элект­родом, а заземлитель, состоящий из нескольких парал­лельно соединенных электродов, называется также груп­повым или сложным заземлителем.

Причинами стекания тока в землю являются: замы­кание токоведущей части на заземленный корпус элек­трического оборудования, падение провода на землю, ис­пользование земли в качестве провода и т. п. Во всех этих случаях происходит резкое снижение потенциала (т. е. напряжения относительно земли) заземлив­шейся токоведущей части до значения, равного произведению тока, стекающего в землю Iз, А, на сопро­тивление, которое этот ток встречает на своем пути,т.е. сопротивление заземлителя растеканию тока, Rз, Ом: Фз=Iз*Rз.

Это явление, весьма благоприятное по условиям без­опасности, используется как мера защиты от поражения током при случайном появлении напряжения на металлических нетоковедущих частях, которые с этой целью заземляются. Однако наряду с понижением потенциала заземлившейся токоведущей части при стекании тока в землю возникают и отрицательные явления, а именно по­явление потенциалов на заземлителе и находящихся в контакте с ним металлических частях, а также на по­верхности грунта вокруг места стекания тока в землю. Возникающие при этом разности потенциалов отдельных точек цепи тока, в том числе точек на поверхности земли, могут достигать больших значений, представляющих со­бой опасность для человека.

Напряжение прикосновения при одиночном и групповом заземлителе.

Ответ:

Напряжение прикосновения Uпр – разность потенциалов между двумя точками токоведущей цепи, в кот. включен человек.

Uпр=Ih*Rh (где Ih – ток походящий по пути рука – нога, Rh – сопротивление тела человека). В области защитных заземлений, занулений и т.п. одна из этих точек имеет потенциал заземлителя φз, В, а другая — потенциал ос­нования в том месте, где стоит человек, φос, В.

В этом случае напря­жение прикосновения будет:Uпр= φз- φос= φз*α1, где α1 — коэффициент, называемый коэффициентом прикосновения, учиты­вающим форму потенциальной кривой.

Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе: Пусть мы имеем оборудование, например электродвигатели, корпуса которых заземлены с помощью одиночногозаземлителя (электрода) (рис. 14.4).При замыкании на корпус одного из этих дви­гателей (молниеобразной стрел­кой) на заземлителе и на всех присоединенных к нему металлических частях, в том числе на корпу­сах двигателей, появится потенциал Uпр.

Поверхность земли вокруг заземлителя также будет иметь потенциал, изменяющийся по кривой, зависящей от формы и размеров заземлителя. Напряжение прикосновения для человека, ка­сающегося заземленного корпуса двигателя и стоящего на земле (случай 1), характеризуется отрезком АВ и от формы потенциальной кривой и расстояния (х) между человеком и заземлителем: чем дальше от заземлителя находится чел-к, тем больше Uпр. Безопасный случаи: При наименьшем значении х, т.е. когда человек стоит непосредственно на заземлителе (случай 3).

Напряжение прикосновения при групповом заземлителе: Поля растекания токов электродов группового заземлителя накладываются одно на другое, все точки поверхности на участке между электродами имеют потенциалы, отличные от 0. Поэтому в любом месте этого участка Uпр

Наименьшие значения Uш будет при бесконечно большом удалении от заземлителя, а практически за пределами поля растекания тока, т. е. дальше 20 м. В этом месте Uш » 0. На расстояниях, меньших 20 м, Uш будет иметь промежуточное значение, зависящее от типа заземлителя.

Напряжение шага при групповом заземлителе:

Рисунок 2 Шаговое напряжение при групповом заземлителе.

В пределах площади, на которой размещены электроды группового заземлителя, напряжение шага меньше, чем при одиночном заземлителе, но также изменяется от некоторого максимального значения до нуля при удалении от электродов (рис. 2).

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Источник

Растекание тока в земле

УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МГУПС (МИИТ))»

Кафедра

«Управление безопасностью в техносфере»

В.М. Пономарев

А.В. Волков

О.И. Грибков

Г.И. Шатунова

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ И ШАГА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ

ПОЛЕ ЗАЗЕМЛЕННОГО ЭЛЕКТРОДА.

Методические указания

К учебно-исследовательской работе № 15

Для студентов всех специальностей университета

Читайте также:  Частота тока в сети в герцах

Москва – 2014

УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МГУПС (МИИТ))»

Кафедра

«Управление безопасностью в техносфере»

Пономарев Валентин Михайлович

Андрей Владимирович Волков

Олег Игоревич Грибков

Галина Ивановна Шатунова

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

ЗАЗЕМЛЕННОГО ЭЛЕКТРОДА. НАПРЯЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ И ШАГА

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний

Для студентов всех специальностей университета

По дисциплине

«БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ»

Москва – 2014

УДК 621.316:656.2

П – 46

Пономарев В.М., Волков А.В., Грибков О.И., Шатунова Г.И. Исследование электрического поля заземленного электрода. Напряжения прикосновения и шаг. Методические указания к лабораторной работе №15. – М.: МГУПС (МИИТ), 2014. – 22 с.

Приведены теоретические основы растекания тока в земле, описание экспериментальной установки и порядок проведения работы, подтверждающий описанные закономерности.

Предназначены для выполнения лабораторной работы студентами всех специальностей университета.

© Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2014

Цель работы – исследовать распределение потенциалов в поле растекания тока на проводящей поверхности, рассчитывать напряжения шага и определять безопасные зоны, изучить распределение напряжений прикосновения при аварийном режиме работы электроустановок, разрабатывать технические и организационные мероприятия по обеспечению безопасности применения защитного заземления.

Растекание тока в земле

Чаще всего поражения человека электрическим током происходит в результате замыкания электрической цепи через тело человека или, иначе говоря, при прикосновении человека не менее чем к двум точкам цепи, между которыми существует некоторое напряжение. В том случае, если причиной несчастного случая является появление напряжения на металлических конструктивных частях электрооборудования, которые нормально не находятся под напряжением, – на корпусах, кожухах, ограждениях и т. п. говорят об опасности косвенного прикосновения. Напряжение на таких частях относительно земли (напряжение прикосновения) [1] может появиться как результат: повреждения изоляции токоведущих частей электрооборудования (вследствие механических воздействий, электрического пробоя, естественного старения и т. п.); падения провода, находящегося под напряжением, на конструктивные части электрооборудования; замыкания фазы сети на землю.

В этих случаях ток сте­кает в землю через электрод, который контактирует с грун­том. Металлический проводник (электрод), погруженный в грунт, называется заземлителем.

Ток, стекая с заземлителя в землю, распределяется по значительному ее объему. Пространство вокруг заземлителя, где потенциалы не равны нулю, называется полем растекания тока. Если человек находится в поле растекания тока, то ток частично проходит через его ноги.

Напряжение между двумя точками в поле растекания тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага (1м) [1], на которых одновременно стоит человек, называется напряжени­ем шага.

Закон распределения потенциалов в электрическом поле заземлителя описывается сложной зависимостью, определяе­мой размерами, формой заземлителя и электрическими свой­ствами грунта.

Наиболее просто закон распределения потенциалов определяется для случая, когда ток IЗ стекает в землю через одиночный полусферический заземлитель радиуса r погруженный в однородный изо­тропный грунт с удельным электрическим сопротивлением r (рис. 1).

Линии растекающегося тока направлены по радиусам от заземлителя, как от центра, а сечения земли как проводника представляют собой полусферы с радиусами r UДОП, на­зывается опасной зоной. Радиус опасной зоны зависит от на­пряжения на заземлителе и удельного сопротивления грунта. Так для железнодорожных путей при обрыве контактного провода (27,5 кВ) опасной считается зона на расстоянии менее 8 м от лежащих на земле оборванных проводов [4].

Работник должен выходить из опасной зоны мелкими шагами, не превышающими длину стопы.

Источник



Процесс растекания электрического тока в грунте

При замыкании токоведущих элементов электрооборудования на заземлённый металлический корпус или, например, при падении токо­ведущего провода на землю в грунте Земли возникает процесс растека­ния электрического тока.

Анализ процессов растекания электрического тока в грунте лежит в основе теории заземляющих устройств и сводится к выявлению распределения потенциалов в окре­стности заземлителя.

Наиболее простым является случай, когда ток замыкания IЗ растекается в однородном грунте через полу­сферический заземлитель с радиусом rЗ равномерно по всем направлениям (рис .4.4).

Рассмотрим величину разности потенциалов (напряжения), кото­рая может возникнуть между произвольной точкой с координатой x, расположенной в окрестности заземлителя, и бесконечно удалённой точкой (с координатой x = ∞): UХ = φХ – φ , потенциал которой условно принимают равным нулю. Поэтому UХ = φХ .

Согласно закону Ома в дифференциальной форме напряженность электрического поля EХ = jХ ρ,

где jХ = IЗ / SХ – плотность тока через полусферическую поверхность SХ = 2πx 2 , x – радиус воображаемой полусферы, ρ – удельное электрическое сопротивление грунта.

Сопротивление ρ зависит от вида грунта, его структуры, влажности и температуры. При увеличении влажности грунта ρ обычно уменьшается, а при его промерзании – значительно увеличивается.

Падение напряжения в элементарном слое грунта тол­щиной dxdUX = EXdx = jХ ρdx =<IЗρ/(2πx 2 )>dx.

Интегрируя полученное выражение по всему расстоянию от дан­ной точки x до бесконечно удалённой точки, получаем зависимость величины напряжения (или потенциала) от расстояния до зазем­лителя:

Читайте также:  Способы торможения двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Полученная зависимость показана на рис. 4.4.

Область грунта вокруг заземлителя, в пределах которой воз­ни­кает практически заметная разность потенциала, называется зоной рас­те­канияэлектрического тока, за пределами которой расположена зона условно нулевого потенциала. Считают, что граница зоны растекания находится на расстоянии 20 м от места стекания тока в землю.

Сопротивление металлического зазем­лителя пренебрежимо мало, поэтому потенциалы всех его точек оказываются практически одинако­выми и равными величине потен­циала, образующегося в точке соприкосновения заземлителя с грунтом. Поэтому потенциал самого заземлителя φЗ или напря­жение относительно точки с нулевым потен­циалом UЗ определяются соотношением UЗ = φЗ = IЗρ/(2πrЗ).

Для характеристики свойств заземлителя вводят понятие сопротивление заземлителя –отношение напряжения UЗ к току IЗ, стекающему через заземлитель в грунт: RЗ = UЗ /IЗ = ρ/2πrЗ .Сопротивление заземлителя определяется свойствами грунта (ρ) и геометрией заземлителя (rЗ).

При данном токе IЗ уменьшить уровень максимального напряжения в зоне растекания можно за счёт уменьшения сопротивления заземлителя, которое, в свою очередь, может быть уменьшено за счёт увеличения его геометрических размеров. Знание тока замыкания на землю и сопротивления заземлителя позволяет определить напряжение заземлителя относительно точки грунта, находящейся вне зоны растекания UЗ = IЗRЗ.

Если человек находится в зоне растекания электрического тока, то он может оказаться под действием напряжения шага. Напряжение шага (UШ) – это разность потенциалов между двумя точками x1 и x2 поверхности основания (грунта), с которыми контактируют ступни ног человека: UШ = φХ1 — φХ2 = IЗρ(1/x1 – 1/x2) /(), где x1 ≤ x2.

Напряжение шага зависит от местоположения человека в зоне растекания и от длины шага LШ = x2x1. По мере удаления человека от заземлителя напряжение шага уменьшается, и за пределами зоны растекания оно практически равно нулю. Максимальное напряжение шага соответствует случаю, когда одна нога человека находится на заземлителе, а вторая – за его пределами на расстоянии шага.

Источник

РАСТЕКАНИЕ ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

РАСТЕКАНИЕ ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

2.1 Общие сведения

Опасность поражения электрическим током создается напряжением прикосновения или напряжением шага.

Напряжение прикосновения. Это напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек.

Напряжение прикосновения приложено только к телу человека и оно определяется как падение напряжения в теле человека по (2.1)

где Ih – ток через человека, А; Rh – сопротивление человека, Ом.

При однофазном прикосновении, напряжение прикосновения зависит от напряжения на корпусе относительно земли. При двухфазном прикосновении — напряжение прикосновения равно рабочему напряжению сети.

При протекании тока по пути тока нога-нога в зоне вблизи заземлителя создается напряжение шага.

Напряжение шага или шаговое напряжение – это напряжение между двумя точками, находящимися на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек.

Ток через человека также зависит от тока замыкания на землю. Для расчета напряжений прикосновения и напряжения шага рассмотрим физические основы их возникновения. Их возникновение объясняется природой растекания тока замыкания на землю.

2.2 Природа растекания тока замыкания на землю

Замыкание на землю может произойти при контакте токоведущей части с заземленным корпусом, пробое изоляции высоковольтного оборудования, падении оборванного провода и ряде других причин.

Заземленный корпус имеет соединение с заземлителем заземляющего устройства. При замыкании на корпус ток проходит через заземлитель на землю, рисунок 2.1. Происходит стекание тока заземления в грунт и вокруг заземлителя создается поле растекания тока. Параметры поля растекания зависят от разных условий. К ним можно отнести форму и размеры заземлителя, состав грунта, влажность грунта, время года и так далее.

Для определения параметров принимаются некоторые допущения и упрощения, с тем чтобы получить общую картину растекания тока.

В качестве заземлителя принимается одиночный заземлитель полусферической формы. Грунт считается однородным с удельным сопротивлением r. Линии тока растекания направлены по радиусам от центра полусферического заземлителя и перпендикулярны его поверхности.

Рисунок 2.1 — Растекание тока замыкания на землю

Если грунт однородный, то ток замыкания равномерно распределяется по его поверхности, с определенной плотностью тока d.

Вокруг заземлителя образуются концентрические сферы. Точкам каждой сферы соответствует одна и та же плотность тока и напряженность. Такая поверхность называется эквипотенциальной поверхностью, рисунок 2.1.

Плотность тока по поверхности грунта с удалением от заземлителя снижается, что видно из формулы (2.2)

где – расстояние от центра заземлителя до любой точки «А» поверхности грунта, м; IЗ — ток замыкания, А.

Чем дальше от заземлителя, тем ниже плотность тока. На большом удалении плотность тока практически равна нулю.

Каждая точка грунта имея определенную плотность тока, обладает электрическим потенциалом jА=UА.

Читайте также:  Тепловое действие электр тока используется

Для определения потенциала в точке А, выделим элементарный слой грунта толщиной на расстоянии от заземлителя, разность потенциалов или падение напряжения в этом слое равно (2.3)

где Е – напряженность электрического поля.

Напряженность электрического тока в точке А определится из (2.4)

Потенциал точки jА=UА равен суммарному падению напряжения от точки А до бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом (2.5). Нулевым потенциалом обладают все точки, плотность тока в которых равна нулю. Подставив в (2.5) формулы (2.2) и (2.4) получим выражение (2.6) для расчета потенциала точки А.

Чтобы определить общую зависимость изменения потенциалов области растекания тока замыкания, учитывается, что и (2.6) примет вид (2.7)

Это гиперболическая зависимость распределения потенциалов в зоне растекания сферического заземлителя, рисунок 2.2. По мере удаления рассматриваемой точки от заземлителя, потенциал снижается и практически достигает нуля. Если расположить исследуемую точку на поверхности заземлителя с радиусом , потенциал будет наибольшим, равным по (2.8)

Область грунта вблизи заземлителя, потенциалы точек, которых на равны нулю называется полем растекания. Практически это зона может находиться в пределах до 20 метров.

Область грунта, потенциалы точек, которых равны нулю называется электротехнической землей. Эта область находится за зоной растекания тока замыкания на землю. На рисунке 2.1 эквипотенциальные поверхности обозначены штриховыми линиями.

Если заземлители имеют другие геометрические формы, значения потенциалов на заземлителе в поле растекания, размеры поля также изменяются, по сравнению с полем полусферических заземлителей.

Рисунок 2.2 – Распределение потенциалов в зоне растекания тока

2.3 Сопротивление растеканию тока замыкания на землю

Если рассмотреть в качестве проводника слой грунта толщиной dx, его сопротивление равно (2.9)

Сопротивление растеканию тока в земле можно представить в виде (2.10).

Расчетное выражение по (2.11)

Если в формулу (2.6) подставить (2.10) получится расчетное выражение напряжения на заземлителе

Отсюда можно сделать вывод, что сопротивление току растекания оказывает только грунт. Напряжение на заземлителе заземляющего устройства не зависит от расстояния между заземлителями. Приведенные расчеты справедливы для полусферического заземлителя. Для заземлителей других форм выведены свои формулы.

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

2.4 Напряжение прикосновения

Рассмотрим случай. Человек стоит на земле и к нему случайно приложено напряжение корпуса, оказавшегося под напряжением. Приложенное напряжение прикосновения определится разностью потенциалов руки и ног, приложенной к человеку

где jР — потенциал руки, В; jН — потенциал ноги человека, В.

Потенциал руки относительно земли равен

потенциал ноги человека, стоящего в зоне растекания

Напряжение прикосновения определится из выражения (2.16)

Обозначим выражение в скобках как

и напряжение прикосновения в поле растекания заземлителя любой формы получится равным (2.18)

Можно сказать, что напряжение прикосновения есть часть напряжения относительно земли. Коэффициент называют коэффициентом напряжения прикосновения.

По мере удаления от заземлителя напряжение прикосновения увеличивается, поскольку потенциал ноги человека относительно земли снижается. То есть, чем дальше от заземлителя, тем выше напряжение прикосновения, пояснение на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Напряжения прикосновения

1 – кривая распределения потенциалов, 2 – кривая изменения напряжения прикосновения

Определим, как зависит напряжение прикосновения с учетом дополнительных сопротивлений в цепи человека. Полное сопротивление цепи человека состоит из сопротивлений

где RОБ — сопротивление обуви; RН — опорной поверхности ног или сопротивление пола; a2 — коэффициент, учитывающий падение напряжения в дополнительных сопротивлениях цепи человека. Коэффициент равен .

Ток через человека при прикосновении к заземленным нетоковедущим частям определяется по (2.20)

2.5 Напряжение шага

Рассмотрим, как человек попадает под напряжение шага. Если в момент стекания тока с заземлителя, человек оказался в зоне растекания тока, то его ноги оказываются в точках с разными потенциалами. К человеку по пути нога-нога приложится напряжение шага, которое определится как разность потенциалов между точками А и Б, на рисунке 2.2.

Потенциал точки А при удалении от заземлителя на расстояние х равен (2.22).

Потенциал точки Б, находящейся на ширине шага человека от точки А определится по (2.23)

Напряжение шага равно

Напряжение шага через напряжение на заземлителе, с учетом (2.8)

где — коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой.

Влияние дополнительные сопротивлений в цепи человека учитывается коэффициентом . При этом сопротивление опорной поверхности ног человека, попавшего под напряжение шага, отличается от сопротивления, попавшего под напряжение прикосновения.

Можно принять , с уче6том того, что сопротивление обуви в четыре раза больше и напряжение шага определится UШ= UЗ∙b1∙b2.

Ток через человека, попавшего под напряжение шага равен

Рисунок 2.4 – Напряжение шага

Характер зависимости напряжения шага от расстояния до заземлителя на рисунке 2.2.

Источник